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第12章 曹春晓 材料科学家钛合金专家

曹春晓(1934.8—),浙江上虞人,材料科学家、钛合金专家,中国科学院院士。1956年毕业于上海交通大学机械制造系金属压力加工专业,分配到北京航空材料研究所从事钛合金研究与应用工作。现任北京航空材料研究院研究员、博士生导师、学位评定委员会主席;南昌航空大学学术委员会主任、中国航空研究院学位评定委员会副主任;先进高温结构材料国防科技重点实验室学术委员会主任、国防科工局科学技术委员会委员、国家大型飞机重大专项专家咨询委员会委员、中国航空工业集团公司科学技术委员会高级顾问和战略咨询委员会顾问、中国航空学会常务理事兼材料工程分会名誉主任、中国航空学会学术工作委员会副主任委员、中国有色金属学会资深常务理事、中国有色金属工业协会钛锆铪分会顾问兼技术委员会首席专家、中国机械工程学会特邀理事、《材料工程》杂志主编、《航空材料学报》副主编等职,曾任全国博士后管委会材料科学与工程专家组组长、国防科工委专家咨询委员会委员、中国机械工程学会塑性工程学会理事长、中国有色金属工业协会钛业分会会长等职。1997年当选中国科学院院士。

曹春晓大学毕业后毅然放弃留校当老师的机会,走上了国防科技的岗位。1956年10月作为颜鸣皋教授的助手参加筹建钛合金实验室工作,担任科技资料组组长。从此,曹春晓便走进了一个新的世界——钛合金。也许正因为质坚体轻,钛合金的“性格”也更为倔犟、古怪,要摸透它的脾气并驯服它,其难度绝不在驯狮驯虎之下。年轻的曹春晓立志“航空报国”,具有向困难挑战的冲劲儿。他刻苦学习,积累力量,循序渐进,从而立之年起便成了科研攻关的领军人物,先后多次率领由航空部内外厂、所、院、校组成的大型联合课题组,在航空用钛的科研战场上纵横驰骋。

1965年曹春晓任课题负责人,以TC4钛合金为突破口,解决了各种技术难题。1966年,我国第一台装上钛合金叶片的航空发动机长期试车成功。之后,他与其他科技人员继续努力,将TC4钛合金压气机叶片和盘扩大应用于多种发动机,显著减轻了发动机重量,提高了推重比。技术鉴定会指出:TC4合金叶片和盘的研制成功,为我国钛合金工业的发展和在航空工业中的应用奠定了基础,起到了开路先锋的作用。该项目于1978年获全国科学大会奖。

1980年,一种新型航空发动机急需能耐500℃的高温钛合金TC11。曹春晓又根据钛合金再结晶与相变交叉进行的原理,创立了高低温交替热变形技术,解决了长期以来钛合金大型模锻件及其坯料金相组织很不均匀的“老大难”问题,使TC11合金材料和盘模锻件的组织性能不仅达到而且在一些关键指标上超过了国外同类产品的水平。这一重大突破解决了新型歼击机的急需,为空军装备更新换代做出了重要贡献,还为国家节省了大量外汇和投资。由于TC11钛合金具有优良的综合性能和工程化生产应用的成熟性,自研发成功至今的20多年中,成为我国军用系统用量最大的一种钛合金。高低温交替热变形技术还推广应用于多种钛合金的研制。由于上述重大的社会效益和经济效益,该成果获1987年度国家科技进步一等奖,曹春晓是第一完成人。

为进一步提高发动机的推重比,迫切需要研制应用一种能耐550℃的高温钛合金。于是在与中国科学院金属所联合研制Ti-55合金的基础上,曹春晓作为“550℃高温钛合金应用研究”“八五”重点预研项目的负责人,率领跨部门的大型联合课题组,突破八大关键技术,圆满完成任务,通过了部级鉴定。鉴定委员会认为:“Ti-55合金是我国独创的含稀土元素钕的550℃高温钛合金,该合金在某新型航空发动机压气机盘、叶片和鼓筒上的成功应用,标志着我国高温钛合金的应用达到了新水平,形成了由TC4、TC11、Ti-55组成的航空发动机用主要钛合金系列,在率先应用含钕新型钛合金以及急冷式β模锻、三重式α+β热处理等关键技术方面具有创新性。”该项目获1998年度国家科技进步二等奖。他又率领课题组创造性地研制成功可耐650~700℃高温的高技术新材料TD2合金(Ti3Al基),创立了新型均匀化熔铸工艺等关键技术,使TD2合金的关键性能优于国外同类Ti3Al合金,在世界上率先进行了Ti3Al合金转子零件地面台架发动机试车,先后获国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目重要贡献奖和部科技成果二等奖(排名第一)。他还利用形变和相变机理,优化钛合金的β转变组织形态,显著提高蠕变抗力、断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力等性能,相应地创立了高温形变强韧化工艺和BRCT热处理技术,先后获1993年度和1995年度的国家发明三等奖。

当选院士后,曹春晓仍不脱离科研工作。作为指导人,他参加了阻燃钛合金、600℃高温钛合金、TiAl金属间化合物以及TA15结构钛合金等重要课题研究。作为技术首席专家主持完成了国家安全重大基础研究项目——航空复杂构件精确成形过程设计与控制的理论和方法的研究,取得了重要的创新性成果。曹春晓还是国务院批准成立的大型飞机方案论证委员会19名委员中唯一从事航空材料研究的委员,他与其他委员互相配合、协调共事,起到了独挡一面的作用。2007年国家科学技术部颁发证书,以表彰他“从事大型飞机方案论证工作,为发展我国大型飞机事业做出了贡献。”

曹春晓在学术理论上也颇有建树,先后发表论文约200篇,其中不少是在国外刊物或国际会议上发表的,在国内外钛学术界很有影响。1980年在第四届钛国际会议上曹春晓做的题为《β转变组织形态等组织特征对Ti-6Al-4V力学性能的影响》学术报告引起与会各国代表的广泛兴趣。他参与编写的《锻件质量分析》一书获1983年全国优秀科技图书二等奖。2002年,由曹春晓和郝应其编著的院士科普系列书之一《材料世界的天之骄子——航空材料》出版,《科学时报》为此做了专题报道,院士科普系列书于2005年获国家科技进步二等奖。由陶春虎、刘庆瑔、曹春晓、张卫方合著的《航空用钛合金的失效及其预防》一书于2002年出版,获国防工业出版社的优秀图书奖。

曹春晓精心培养年轻人,既注意传授指导,又放手锻炼他们独立解决问题的能力。他希望下一个梯队早日成熟,紧握接力棒,向更高的科学顶峰挺进。他先后培养出多名成绩优秀的硕士、博士和博士后,早在1993年就被航空航天工业部评为优秀研究生导师。

曹春晓是著名钛合金学者、材料科学家、中国钛合金研究与应用的创始人之一。他不断开创新型钛合金和钛—铝基金属间化合物及其制备技术,并创立高低温交替热变形、BRCT热处理等多项新工艺,先后获国家级和部级科技成果奖16项,其中国家科技进步一等奖1项、二等奖2项,国家发明三等奖2项。获国家发明专利2项。发表论著约200篇。先后培养出4名硕士、12名博士和3名博士后。鉴于曹春晓对我国科技事业特别是航空科技事业的重大贡献,他在1989年获国家级有突出贡献中青年专家称号,1991年获国务院颁发的政府特殊津贴,1993年被评为航空航天工业部优秀研究生导师,1996年获光华科技基金奖一等奖,2001年获中航一集团最高奖——航空报国金奖,2006年获航空报国突出贡献奖。

曹春晓1997年当选中国科学院院士。

颜鸣皋材料科学家金属物理学专家

颜鸣皋(1920.6—),浙江慈城人,材料科学家、金属物理学专家,中国科学院院士。1942年毕业于重庆中央大学机械工程系,1945年4月留学美国耶鲁大学,1949年获工学博士学位。1949—1951年任美国纽约大学工学院副研究员。1951年冲破美国当局阻挠回国,在北京理工大学第二机械系先后任系主任、教授。1957年调入北京航空材料研究所,组建我国航空钛合金研究室。历任研究室主任、总工程师、技术副所长、科技委主任、高级技术顾问、学位评定委员会主席、先进复合材料国防科技重点实验室学委会主席等职。1989年荣获全国有突出贡献失效分析专家称号,1991获航空航天工业部航空金奖,2001年获何梁何利科学与技术进步奖。曾获航空工业总公司科技进步一等奖,国家自然科学三等奖等。2009年被中华全国归侨联合会、国务院侨务办公室授予全国侨界“十杰”荣誉称号。1991年当选中国科学院院士。

1942年颜鸣皋大学毕业取得工学学士学位,进入位于嘉陵江畔的中央工业试验所任助理工程师。1944年,颜鸣皋获得资助留美实习的机会,去美国进修精密机械制造。1946年春,他正式进入耶鲁大学攻读物理冶金专业。1947年夏,他修完研究生的全部课程,获物理冶金科学硕士学位,他的毕业论文“金属加工织构的研究”第一次用理论分析方法对3种常用晶系的滑移系与加工织构做了推算,阐明了两者之间的关系,受到国际冶金界学者的重视和肯定,并在美、英、德等国的有关织构专著中被列为完整的金属织构形成理论之一。1949年春,颜鸣皋被破格吸收为美国荣誉科学会会员。同年7月获耶鲁大学工学博士学位。

随后,颜鸣皋受聘于纽约大学工学院研究部,任副研究员,讲授金相学,并指导3名博士研究生。他对世界上崭露头角的新型材料——钛合金的平衡图和加工织构进行了研究,首次提出了钛合金拉伸、压缩与轧制织构的晶格位向及其与性能关系的报告。这为后来回国负责创建新中国第一个航空用钛合金研究室奠定了基础。1950年,被美国菲拉姆·厄泼西隆(PhilambdaUpsilon)化工学会吸收为荣誉会员。

1950年秋,他毅然放弃收入优厚且有很好发展前途的工作,克服重重困难,取道香港返回祖国。回到祖国,颜鸣皋接受北京工业学院(今北京理工大学)的聘请,任该校教授兼第二机械系主任。从1955年起,又兼任中国科学院应用物理研究所研究员。1956年,他应邀参加了由周恩来总理主持的制定我国“1956—1967年科学技术发展远景规划纲要”的工作。

1956年,第二机械工业部航空工业局建立北京航空材料研究所。钛合金是一种重要的、新型的航空材料,当时在我国还是空白,因此开展钛合金研究就成了材料研究所迫不及待的任务。为此,1957年颜鸣皋调入北京航空材料研究所,任钛合金和高熔点合金研究室主任,领导创建我国航空钛合金研究室。创业之初,遇到的困难是多方面的,设备和资料都很缺乏,人手也不足。颜鸣皋带领刚参加工作的大学生、中专生,自己动手,自行设计了一台3000克非自耗电弧炉和一台7500克自耗电弧炉,历经多次失败,终于熔炼成功了中国第一个重3000克的钛合金铸锭,它标志着中国有了自己的钛合金。

1958年,颜鸣皋作为中国冶金考察团成员赴苏联实地考察,然后应邀去全苏航空材料研究院(ВИАМ),着重考察钛合金研究及其设备。回到北京,他带领大家参考苏联图样制造了2台25千克真空自耗电弧炉,改善了钛合金研制的条件,为以后的批量生产打下了基础。经过40多年的建设,北京航空材料研究院的钛合金研究室已成为设备先进、拥有一批高素质的钛合金研究专家、研究水平属国内一流的研究与发展中心。颜鸣皋是我国钛合金研究工作的开创者之一。

从1962年起,颜鸣皋出任北京航空材料研究所金属物理研究室主任,指导开展基础性研究和高温合金研究工作。他除领导与参与一些高温合金、钛合金的应用和基础研究外,还致力于重大故障分析与延寿工作,先后完成了高温合金板材分层、BK型航空发动机叶片延寿、歼6飞机起落架补焊、涡喷型发动机涡轮盘断裂、加力喷嘴折断等重大故障分析课题,逐一得出了准确的科学结论,提出了相应的排故措施,积累了对飞机、发动机零部件失效分析和延长使用寿命的经验,提高了故障分析技术水平。

1960年,北京航空材料研究所划归中国人民解放军部队建制。1963年,颜鸣皋被授予上校军衔,并任命他为该所总工程师。

1978年,北京航空材料研究所组建新一届领导班子,颜鸣皋任技术副所长,并兼任总工程师,他感到自己肩上的担子更重了,于是更加倾全力于工作,以减少“文化大革命”造成的损失。

为了解决航空材料为新机种设计和原有机种定寿、延寿服务的问题,颜鸣皋早在1978年,就正确地提出要实行两个“三结合”,即“设计、材料、使用三结合”和“材料、工艺、测试三结合”。随后又根据多年来航空材料研究与发展中的正反两方面的经验,进一步总结出设计、材料、工艺、测试、使用相互之间的辩证关系,即设计是主导,材料是基础,工艺是手段,测试是保证,使用是检验。颜鸣皋在航空材料应用科学研究中,逐步形成了一套全面的、系统的、科学的指导思想。

进入20世纪70年代,航空结构与部件的设计由传统的静强度设计和安全寿命设计发展到损伤容限设计。断裂力学和新型检测技术迅速发展,引起颜鸣皋的重视,认识到开展断裂力学、疲劳理论的研究与应用,可以科学地确定和提高飞机、发动机的使用寿命,对保证飞机安全、确定检修周期,以及对合理选材、控制和提高产品质量等,都具有十分重要的意义。抗疲劳技术可推迟宏观裂纹的形成,减缓疲劳裂纹的扩展速率,提高结构或零件的使用寿命。因此,开展这方面的研究工作不容迟缓。颜鸣皋组织并领导所内固体力学和物理冶金两支科技队伍,采用宏观力学和微观分析相结合的方法,对金属材料疲劳与断裂方面的应用基础研究和应用研究做了大量工作,取得了系统性、独创性的科研成果。

为了配合损伤容限设计,颜鸣皋组织工作人员对大量国产材料进行了断裂数据与成活率的测定,出版了多种手册与数据汇编,为飞机安全设计、合理选材提供了大量数据和理论依据,并建立了较完整的试验装备,培养造就了一批技术骨干,使北京航空材料研究院在材料疲劳与断裂应用研究方面处于国内领先地位,在国际上也享有较高的声誉。颜鸣皋是航空材料疲劳与断裂研究的先行者。

颜鸣皋还亲自参与和指导多个“863”高技术课题,其中Ti3Al、Ni3Al、Al-Li合金的研究已取得成果,合金性能达到国际先进水平,有的已经投入应用。颜鸣皋是国家首批博士生导师之一,他已培养了40余名博士生、硕士生和十余名博士后,其中不乏出类拔萃者,有的已在科研和管理工作中崭露头角,在科研中出手不凡,成为本专业的技术骨干、学科带头人,其中半数以上担任了研究室主任、大学的系主任、总工程师等领导职务,成为一批优秀的跨世纪高层次人才。为加强国际技术交流与合作,颜鸣皋曾多次参加中国航空研究院代表团出国考察、访问、讲学或洽谈技术合作。

颜鸣皋于1989年荣获全国有突出贡献失效分析专家称号;1991年4月在航空工业建立40周年之际,被授予“为航空工业做出杰出贡献者”称号,并荣获航空航天工业部最高奖励——航空金奖;2001年荣获何梁何利科学与技术进步奖。1983年,颜鸣皋作为国务院直属机关代表,光荣地出席了中国共产党第十二次全国代表大会。2009年7月14日,在第八次全国归侨侨眷代表大会上,颜鸣皋被中华全国归侨联合会、国务院侨务办公室授予全国侨界“十杰”荣誉称号。

颜鸣皋1991年11月当选中国科学院院士。

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